地熱供熱經濟性分析

閆丹丹

摘要：目前常規化石能源日漸短缺，而在總能耗中，民用采暖耗能比例逐年增長。文章介紹了幾種常用的地熱供熱系統，建立了地熱供熱熱價核算的數學模型，對幾種地熱供熱形式進行了經濟性分析，并對地熱供熱系統的選擇提出了有效建議。

關鍵詞：地熱供熱系統；熱泵；熱價；經濟性分析；采暖耗能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM617 文章編號：1009-2374（2016）15-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.039

空腹式石拱橋是一種古老的橋型，在我國橋梁建設歷程中具有悠久的歷史，石拱橋是用天然石料作為主要建筑材料的拱橋，借著類似梯形石塊的小單位，將橋身重量和其上的載重軸向傳遞到兩端的橋墩。其利用塊石互相推擠，充分發揮了天然石材自身的強度，增加橋體本身強度。同時與梁式橋相比，石拱橋具有造型優美、跨越能力較大、取材方便、造價和養護費用低、承載潛力大、使用壽命長等諸多優點，然而隨著大噸位汽車保有量的劇增，對公路安全、快速、重載行駛的要求越來越高。由于交通運輸的發展速度比荷載標準更新的速度快，橋梁超負荷現象普遍存在，致使原修建橋梁發生了不同程度的損傷。

1 依托工程概況

依托工程建成于1996年，原橋的設計標準為汽車-20級，掛車-100級，單幅雙向兩車道，全橋長185m，橋面全寬9.50m，橫斷面布置見圖1。橋梁主橋上部結構主跨為1～80m空腹式石拱橋，拱上建筑采用空腹式拱式結構，主拱圈形式為懸鏈線，矢跨比1/6，拱軸系數m=2.814，主拱圈全寬9m；腹拱為跨徑5m的石拱，拱厚0.35m，腹拱柱采用圬工砌體，寬度為1m。引橋采用3.8m和5m兩種跨徑板拱，板拱柱采用石砌實體立柱，寬度分別為1m和1.5m。長治方向上跨東長線，邊跨采用1～13m簡支空心板梁。橋型布置如圖2。

由于該橋位于某國道重要運煤通道上，為重型拉煤車輛運行較為密集的通道，特別是2008年以后，平均日交通量也隨之劇增，由原來的3500輛增加至7500輛，主要病害情況如下：左右兩側腹拱（三鉸拱）變形過大，主拱拱板底面滲水泛白痕跡較多，橋面出現車轍、坑槽等病害。

2 空腹式拱橋主要加固方法

目前廣泛采用的鋼管混凝土拱橋的加固方法主要有三種：提高拱圈強度法、增大截面法和壓漿加固法。

2.1 提高拱圈強度法

提高拱圈強度法是指在不增加恒載的情況下，提高主拱圈的抗拉能力以緩解裂縫擴展。提高拱圈強度法是指采用粘貼高強度材料增大主拱圈的強度，如碳纖維布、鋼板等，減小主拱圈在汽車荷載作用下的拉應力，從而提高主拱圈的承載能力。這種方法不影響凈空、不中斷交通，適用于交通繁忙及橋下凈空不宜減小的情況。

2.2 增大截面法

增大截面法是指在石拱橋主拱圈的拱腹或拱背上澆筑或錨噴一層砼，提高拱圈截面面積，從而恢復或提高結構的承載能力。在拱圈受壓區的現澆混凝土層，增加了截面的有效高度，增大了構件的抗剪、抗彎承載能力，提高了構件的剛度。

2.3 壓漿加固法

壓漿加固法是指通過注漿的方法修復主拱圈上的裂縫，提高主拱圈的整體性、剛度和承載能力。壓漿加固技術同時可以恢復并提高結構的抗滲性與耐久性。此法特別適用于砌筑塊石砂漿不飽滿、強度低的主拱圈。

2.4 其他加固方法

除以上方法外還有一些加固方法較少采用，如體外預應力法、改變結構體系法等。這些方法尚未經大量工程實踐證明，但針對某些特定病害具有較好的加固效果，有待于進一步的研究拓展。

3 依托工程加固改造措施

3.1 立墻增大截面加固

對主橋兩側三鉸拱的立墻采用增大截面法加固，整體外包50cm厚鋼筋混凝土，以增大其抗推剛度。

3.2 三鉸拱改建為兩鉸拱

拆除主橋南北兩側三鉸腹拱及拱上建筑（含拱上填料、腹拱側墻、護欄、橋面鋪裝等），預制兩鉸拱形式的新腹拱圈，并在兩側立柱預留弧形槽，在腹拱拱腳位置設置油毛氈與立柱弧形槽連接，腹拱圈厚度由原來的40cm增厚至50cm，一孔腹拱共設3道肋板，可有效提高兩鉸拱拱頂抗彎承載力。

3.3 更換腹拱拱上結構重做橋面鋪裝

新建兩鉸拱后，重做鋼筋混凝土側墻并回填整壓粉煤灰加氣混凝土填料，在混凝土調平層上新建20cm厚鋼筋混凝土整體化鋪裝層，使得與原橋面標高保持一致，然后全橋橋面加鋪微表處罩面。

4 有限元模擬分析

4.1 模型及基本參數

依據加固設計圖紙，采用有限元結構分析軟件MIDAS/CIVIL（V8.2.1）進行空間分析計算，全橋共405個節點、326個單元，主拱圈、腹拱及拱上立柱均采用梁單元進行模擬，考慮拱上填料的自重，采用均布荷載計入模型進行模擬，橋面系、護欄等二期恒載計入計算模型。計算模型見圖3所示：

圖3 有限元模型圖

4.1.1 恒載。主拱圈、腹拱及拱上立柱根據設計截面計算自重（素混凝土容重按25kN/m3計入，鋼筋混凝土容重按26kN/m3計），計算模型中各部位的構件按實際尺寸模擬。二期恒載包括護欄及橋面鋪裝等，按均布荷載考慮作用在主拱圈上。

4.1.2 活載。設計荷載：汽車-20級，掛車-100級。

4.1.3 基礎不均勻沉降。主拱為空腹式石拱橋，腹拱為三鉸拱改兩鉸拱，拱縱向為外部超靜定體系，橋墩整體的沉降不均會導致結構內力變化，故本橋考慮支座不均勻沉降的影響。

4.1.4 溫度荷載。結構整體升降溫取±20℃。

4.2 加固過程仿真分析

橋梁的加固施工主要步驟包括兩鉸拱代替三鉸拱、立墻增大截面加固、恢復拱上建筑、重做橋面鋪裝等，橋梁加固仿真分析過程見表1：

5 加固效果評估

5.1 三鉸拱改建兩鉸拱過程

由圖2可知，南北兩側三鉸拱拆除后主拱圈拱頂豎向位移變化較小（下撓1.16mm），主拱圈近拱腳處（南北立柱柱底）位移變化0.52mm（上拱）左右，拆除前后荷載變化對主拱圈影響較小。

5.2 溫度荷載作用

考慮兩側腹拱由三鉸拱改建為兩鉸拱以及兩側立墻外包50cm厚鋼筋混凝土后，加固前后溫度荷載作用下腹拱拱圈位移計算值如表3所示。

由表3可知，腹拱拱腳產生的相對水平位移為0.54mm（向主拱跨中方向）+0.12mm（遠離主拱跨中方向），拱頂豎向下撓4.05mm；北側腹拱腳產生的相對水平位移為3.66mm（向主拱跨中方向）+0.05mm（遠離主拱跨中方向），拱頂豎向下撓7.56mm。較加固前腹拱在溫度荷載作用下的位移值，加固后的兩鉸拱在溫度作用下的位移值明顯減小，并且由三鉸腹拱改建為兩鉸腹拱避免了腹拱拱頂不均勻沉降的發生。

5.3 車輛荷載作用

由圖4和表5可知，加固后的腹拱兩拱腳的水平位移和拱頂的豎向位移量值均減小，說明加固后拱兩鉸拱的受力得到改善，較原三鉸拱剛度增大，在車輛荷載作用下的通行能力也得到改善。

6 結語

本文對重載地區空腹式石拱橋的典型病害進行了描述，并針對病害情況對幾種常用加固方法進行了介紹，通過建立有限元模型，對加固施工的全過程進行模擬分析，經計算發現加固后橋梁在自重及溫度荷載作用下的受力情況得到改善，立墻的抗推剛度有較大改善，同時在車輛荷載作用下病害較為嚴重的腹拱位移較小，即通行能力得到提高。

參考文獻

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作者簡介：韓雙（1989-），女，遼寧燈塔人，供職于中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，研究方向：施工技術。

（責任編輯：王 波）